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面向敏捷制造的AMCS研究广告 面向敏捷制造的AMCS研究 摘 要 一、前言 “敏捷”作为先进制造系统的标志性特征已成为人们的共识[1,2]，如何寻求制造系统全生命周期内全方位的“敏捷”亦是制造企业求得生存和发展的唯一手段。在敏捷制造的大趋势下，众多新的制造理念层出不穷，如虚拟制造、精益生产、动态联盟等，不管它们侧重点有何不同，焦点都在于尽可能提高系统响应市场和客户的能力，以谋得“敏捷”。 技术的发展为实现敏捷制造提供了物质基础，但敏捷制造不仅仅是单纯的技术性相关问题，它还和制造系统内在的运行方式密切相关，如果不从这个角度根本上考虑制造系统的控制和组织结构，任何技术都将没有正确的立足点，无法充分发挥功效。由此本文首先分析制造系统控制结构的发展轨迹，在此基础上，提出具有分散化、集成化、智能化特征的先进制造系统模式，并着重对这种模式下的车间管理与控制进行研究，提出建立先进管理控制系统（AMCS），以为实现制造系统为管、控、贸一体化的综合大系统创造条件。 二、 集成、分散和智能的先进制造系统 在过去的几十年里，制造系统的演变轨迹为：分散控制—集中控制—递阶控制。应该说，制造系统发展到递阶控制是进入了比较成熟的阶段，因为它在一定程度上适应了制造大系统既分散又集中的特点，但递阶控制结构带来了不可避免的复杂组织，以这种复杂的组织去对付复杂的环境，带来的是复杂的问题，有效的组织结构应该保持“简单化”。事实上人们现在对制造系统体系结构比较多的研究大都集中在递阶控制的变形结构，即如何恰当地处理“分散”和“集中”的度的问题，如适度递阶控制（Heterachical Control）的制造系统、分布式CIMS等。目前，在单元制造系统、独立制造岛等自律全能型分散（Holonic）制造的基础上，运用现代网络技术、信息高速公路技术进行大范围的集中形成的虚拟企业被认为是先进制造系统发展的未来模式。应该说，这种以小分散大集中为特征的分散化制造系统就是未来制造系统控制结构的典型特征，同时它还具有强烈的集成化和智能化的趋向。 以（X，Y，Z）三维分别代表“分散”维、“智能”维、“集成”维，制造系统就可以表示该三维空间中的实体E。三维空间中存在“Z-X”、“Z-Y”、“X-Y”三个特征平面，制造系统E在这三个特征平面上的映射就从不同侧面表示了E的特征。 ⑴“Z-X”平面：是从“分散”和“集成”侧面对E的描述。分散化和集中化是先进制造系统发展的大趋势，突出地表现为“小分散大集中”，强调在自律型分散基础上的集中。分散化是集中化的前提，同时为了使整个制造系统得到全面优化，分散化必须与集中化相结合。从总体上看，未来制造系统应是一种“大协同”和“小协同”的协同控制结构，如图1所示。一个制造系统内部（如A1、A2，C1、C3等）通过局域网形成一种“小协同”环境，而制造系统间（A、B、C、D）则通过广域网构成“大协同”。在制造系统内部各子系统不存在主从关系，是相互独立的有机体，每一子系统具有维持自身有规律运动的能力和保持与其它子系统协调合作以达到总体系统目标的功能。协同控制通过信息和控制的局域化可以降低协同的复杂性；通过减少层次从而具有更大的灵活性；通过提高系统的模块化程度和自我构造能力使系统的可维护性和可修改性提高；通过提高子系统的自组织能力 可大大增强整个系统对环境应变能力；通过资源重组可以以最快的速度和最低的成本制造客户满意的产品。 注：实线代表局域网、虚线代表广域网 ⑵“Z-Y”平面：是从“集成”和“智能”侧面对E的描述。集成的关键是信息的集成。信息处理的智能化无疑可使系统中上下信息的获取和集成更为方便，从这个角度就表现为集成的智能信息系统，从上层的智能执行信息系统IEIS、智能决策支持系统IDSS、中层的智能管理信息系统（IMIS）和底层的智能事务处理系统（ITPS），随着领域问题的结构化程度不同构成了一种递阶的“变粒度”的综合智能系统，再加上分散在制造现场的智能前端设备，使制造系统中管理信息和控制信息在智能处理的基础上实现一体化。 ⑶“X-Y”平面：是从“分散”和“智能”的角度对E的描述，表现为充分赋予分散的自治系统以智能的特征，形成分散式的智能制造系统。这种分散不仅是制造系统宏观功能模块的分散，还突出地表现在制造分系统内部子结构的分散，是一种综合宏观和微观两方面的分散智能。现在这方面主要集中在对分布式人工智能中多智能体系统（MAS）的应用研究，从基于Agent的随机制造系统到MA系统用于企业集成，从分布式智能控制[到集成分布式监视框架结构[3，4]。分散的智能化不仅为集成提供了良好的条件，也使整个系统具有更好的柔性、健壮性和敏捷性等特征。 图2 基于Infranet、Intranet、Internet
的集成的分散智能制造 综合以上三个方面，以追求“敏捷”为目的的先进制造系统应是一种集成的分散化智能制造系统。在具体的技术途径上表现为制造系统内部和外部众多网络的集成，将来的发展趋势应该是不同类型智能网的集成。具体来讲，就是基于Intranet和Infranet的制造系统 三、先进管理控制系统（AMCS） 敏捷性实质就在于响应时间的快速与跟踪变化的能力，企业决策者、生产指挥人员不仅必须关心在一个时间段内的任务安排，同时还要关心近期在制品状态、设备负荷、物料状态以及实时任务等，正因此“以时间为关键的制造”（Time
Critical
Manufacturing）愈来愈为现代企业所重视。“以时间为关键的制造”核心是利用各种实时信息做到及时的计划调整和调度，而制造车间不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地，所以制造车间的敏捷度很大程度上决定了整个制造系统的敏捷性。传统的MRPII软件主要是针对资源计划，能很好地处理历史事件，也能预计将要发生的事件，但对正在发生的事件却常常留下了不规范的缺口，需要一种能够连接计划与现场制造信息的具有实时特征的车间管理信息系统，制造执行系统（MES）刚好能够填补这一空白。根据国际制造执行系统协会（MESA）的定义，MES是企业车间生产管理技术，用以提供生产活动从下订单到产成品间的最优化信息，它利用实时准确的数据指导、响应并报告车间发生的各项活动，对现场变化条件作出快速反应，努力减少非增值活动，以最终达到高效的车间操作与生产[5]。MES能够很好地联结和沟通上层的企业管理计划与底层控制信息，但并未与制造车间的本质特征：物料流动、质量控制、工艺集成等实现有机集成，而且与制造车间的重要任务—制造过程、设备的控制之间的集成问题也没有很好地解决。因此，我们在MES概念的基础上提出建立制造车间先进管理控制系统（AMCS）。 图3 AMCS的体系结构 ⑴AMCS整体上是基于拓展C/S结构的两层管理与控制系统，分为车间管理控制级和现场控制级。在车间级以基于C/S结构的数据库系统为信息集成平台，车间级功能分别通过车间管理客户和车间监控客户完成，实现不同信息的分布式处理。在现场级通过现场总线系统一方面分散独立地解决现场测控任务，另一方面通过点对点通信解决现场节点间的信息通信，同时向车间传输供统计、分析等用的实时数据并下载关键的管理控制命令，现场分散的前端设备与车间服务器平台形成了拓展意义上的C/S结构； 四、AMCS的功能模型 AMCS结构上基于FCS的两层递阶控制，功能则是MES功能和FCS控制功能的融合，整体上分为两大功能模块，即车间层的管理控制模块(其可以视为拓展的MES,即EMES）和底层的现场控制功能模块（FCM）。 EMES的目的在于提供对车间各种不同任务的支持，并将与任务相关的信息收集存储于一共同的数据库中以使不同的任务在数据库信息的基础上得到协调。在数据库中某些信息具有技术特征，而某些则属于经营信息，所以以此数据库信息为基础的EMES功能也可划分为两类：偏于经营功能的功能模块EMES1和偏于技术层面的功能模块EMES2。作为车间级的经营功能模块，EMES1大致包括：车间维护模块（PM：plant mantenance）、车间生产计划模块（PP：production planning）、车间质量管理模块（QM：quality management）、车间物料管理模块（MM：material management）、车间库存管理模块（WM：warehouse management）等；EMES2则主要包括对车间制造过程的监视、诊断、控制等功能模块：如车间生产调度模块（PS：production scheduling）、车间诊断模块（PD：plant diagnosis）、车间过程及设备控制模块（PC：plant control）、车间生产监视模块(PM：plant monitoring)等。由于现场总线技术及现场控制的引入，FCM的功能主要由分布在现场的智能节点（smart nodes）来完成，同时FCS支持对DCS、PLC等控制系统的兼容功能，它们也作为FCM的功能节点。这种包括了EMES1、EMES2、FCM功能模块的AMCS功能模型如图4所示。 图4 AMCS功能模型 AMCS的功能模型体现了车间信息处理与传递的层次性，即基于实时的制造过程信息，应用各种处理手段，完成对制造过程的监视、诊断、调度和控制等，同时诊断、监视、调度等信息提供给车间的管理功能模块进行车间维护、车间生产计划、车间质量管理等；同时AMCS还提供了面向ERP的接口，使ERP系统同实时制造环境两种截然不同的世界联系起来。在功能上AMCS采用一种模块化的结构，不仅基于现场总线技术使底层控制系统具备了开放性，同时一些具有MES功能的软件可作为AMCS软模块直接嵌入，从而在整体上提高了AMCS的开放性。针对不同的制造系统，AMCS的功能模块可以进行更换，如对批流程性制造系统可加入批量管理、配方管理等功能模块。所以不同于一般MES软件只作为一种提供解决问题的软件手段，由于它无法提供对实际中不同制造过程的一种通用的解决方法而在应用中没有取得预期的效果[6]，AMCS更大程度上是一种用集成手段解决问题的思想方法。 五、结论 本文针对敏捷制造的要求，提出建立车间级的敏捷制造系统—先进管理控制系统AMCS，AMCS以MES和FCS的融合为特征，在控制结构上实现了扁平化，为建立基于LON和LAN的两层CIMS起到了桥梁作用；在功能上则对MES进行了拓展，采用模块化的结构，以功能集成的思想方法去实现车间的管理控制功能；AMCS作为整个制造系统网络上的自主节点，基于Infranet、Intranet和Internet实现制造系统内集成和外集成。这些特征使AMCS在更高程度上做到了可重构性（Reconfigurable）、可重用性（Reusable）和规模可调性（Scaleable）,即RRS特性，从而可更好地实施敏捷制造。 参考文献： 作者：夏敬华（同济大学CIMS研究中心）陆宝春，陈杰，张世琪（南京理工大学制造工程学院 南京 210094） 发表于：高技术通讯，1999.10 如果您希望与本文章的作者或其所在机构，进一步交流，请联系：畅享网 姜小姐 jill.jiang@amteam.org | 021-51096826-112 | 在线联系 |
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